Mobile Relaying and Opportunistic Networking in Multi‐Hop Cellular Networks

Abstract

Los sistemas de comunicaciones móviles han experimentado una notable evolución en las últimas décadas con la aparición de nuevas tecnologías de acceso radio diseñadas para incrementar la capacidad del sistema y soportar mayores tasas de transmisión. Esta evolución se ha centrado principalmente en el marco del concepto tradicional de arquitectura celular centrada en infraestructura en la que cada estación móvil comunica directamente con la estación base. Las comunicaciones celulares tradicionales experimentan dificultades para proveer niveles de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) elevados y homogéneos en toda la celda (en particular en los límites de la celda) debido a la atenuación que sufre la señal con la distancia y la presencia de obstáculos. En este contexto, un cambio en el paradigma es perseguido en el diseño de los futuros sistemas de comunicaciones móviles (los sistemas 5G) que deberán soportar de una manera eficiente los diversos requisitos de QoS y calidad de experiencia (Quality of Experience, QoE) del tráfico de datos de las redes móviles que crece a tasas exponenciales. Esta tesis defiende la necesidad de explorar y evolucionar desde las actuales arquitecturas celulares centradas en la infraestructura a tecnologías inalámbricas centradas en los dispositivos que sacan provecho de la inteligencia, y los recursos de comunicación y computación de los dispositivos móviles inteligentes. Una forma de conseguir estos objetivos es explotando las comunicaciones dispositivo a dispositivo (Device‐to‐Device, D2D) y las redes celulares multi‐salto (Multi‐hop Cellular Networks, MCNs). En las redes MCNs, los dispositivos móviles pasan a ser productores/consumidores de conectividad inalámbrica actuando como pasarela entre la infraestructura celular y otros dispositivos. Estudios anteriores han demostrado el potencial de las redes MCNs para conseguir importantes beneficios de capacidad y eficiencia energética, a la vez que proveen de mayores y más homogéneos niveles de QoS y QoE. Sin embargo, hasta el momento, las investigaciones realizadas se han limitado generalmente a estudios analíticos y de simulación, y existe por lo tanto la necesidad de demostrar los beneficios de las redes MCNs de manera experimental. En este contexto, una primera y significativa contribución de esta tesis es la evaluación experimental del rendimiento de las redes MCNs a través de pruebas de campo en redes celulares comerciales. Las pruebas de campo llevadas a cabo persiguen validar y cuantificar los beneficios que las redes MCNs utilizando retransmisores móviles pueden proporcionar sobre los sistemas celulares tradicionales. Para ello, esta tesis ha diseñado e implementado una plataforma hardware con las herramientas software necesarias para monitorizar la operación y la QoS de los procesos de retransmisión en los enlaces multi‐salto, y que permite investigar los beneficios de las redes MCNs y las condiciones en los que estos beneficios pueden obtenerse. Utilizando los datos obtenidos de las medidas de campo, esta tesis extrae un conjunto único de modelos empíricos que caracterizan el rendimiento de las comunicaciones MCN, y que pueden ayudar al diseño, testeo y optimización de protocolos de comunicación y de red para redes MCNs en estudios analíticos y de simulación. De manera complementaria a estos estudios, esta tesis propone mejorar la eficiencia en la transmisión del tráfico de datos tolerante a retardos por medio de la integración de técnicas de red oportunistas en las redes MCNs. Los mecanismos oportunistas explotan la tolerancia al retardo que caracteriza a alguno de los servicios de datos más relevantes para buscar las condiciones de transmisión más eficientes en las redes MCNs. En este contexto, esta tesis desarrolla primero un entorno analítico para redes MCNs oportunistas diseñado para identificar la configuración óptima en términos de eficiencia energética. Utilizando esta configuración óptima como referencia, esta tesis propone entonces un conjunto de mecanismos oportunistas que explotan información de contexto proporcionada por la red celular y que demuestran su potencial para contribuir de manera notable a alcanzar los requisitos de capacidad y eficiencia energética perseguidos en las redes 5G.